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Jornal Brasileiro de Pneumologia

versão On-line ISSN 1806-3756

J. bras. pneumol. v.33 n.3 São Paulo maio/jun. 2007

http://dx.doi.org/10.1590/S1806-37132007000300005 

ARTIGO ORIGINAL

 

Modelo mecânico para simulação do condicionamento pulmonar do ar respirado*

 

 

Nelson Bergonse NetoI; Luiz Carlos Von BahtenII; Luís Mauro MouraIII; Marlos de Souza CoelhoII; Wilson de Souza Stori JuniorI; Gilberto da Fontoura Rey BergonseIV

IMestre em Clínica Cirúrgica. Pontifícia Universidade Católica do Paraná – PUCPR – Curitiba (PR) Brasil
IIDoutor em Clínica Cirúrgica. Pontifícia Universidade Católica do Paraná – PUCPR – Curitiba (PR) Brasil
IIIDoutor em Ciências Térmicas. Pontifícia Universidade Católica do Paraná – PUCPR – Curitiba (PR) Brasil
IVResidente em Otorrinolaringologia. Universidade de São Paulo – USP – Bauru (SP) Brasil

Endereço para correspondência

 

 


RESUMO

OBJETIVO: A criação de um modelo mecânico que pudesse ser regulado para simular o condicionamento do ar inspirado e expirado nos mesmos valores normais de temperatura, pressão e umidade relativa do aparelho respiratório de um homem jovem hígido sob ventilação mecânica.
MÉTODOS: Utilizando-se diversos tipos de materiais, um aparelho mecânico foi construído e regulado com valores normais de capacidade vital, volume corrente, pressão inspiratória máxima, pressão expiratória final positiva e temperatura do gás dentro do sistema. O aparelho foi submetido a ventilação mecânica por um período de 29,8 min. A cada dois segundos, foram registradas as alterações de temperatura do ar circulado no sistema.
RESULTADOS: Mediante análise estatística dos dados coletados observou-se que o aparelho construído foi eficiente no condicionamento do ar aproximadamente nos moldes do aparelho respiratório de um ser humano.
CONCLUSÃO: Ao final deste estudo, conseguiu-se desenvolver um aparelho mecânico capaz de simular o condicionamento do ar respirado nas mesmas condições de temperatura, pressão e umidade do aparelho respiratório de um ser humano hígido.

Descritores: Termodinâmica; Respiração artificial; Temperatura ambiente.


 

 

Introdução

O ser humano, como qualquer animal homeotérmico, apresenta um complexo metabolismo corporal mediado por sistemas enzimáticos, quase todos dependentes da temperatura. Sendo assim, é de vital importância que a temperatura corpórea central permaneça constante para o perfeito funcionamento do organismo. O controle da temperatura é realizado pelo hipotálamo mediante o equilíbrio entre a produção e a perda de calor.(1)

Durante procedimentos cirúrgicos, o organismo humano é submetido a anestesia, a qual inibe os mecanismos termorreguladores do organismo, e, se não houver a correção ambiental das condições de temperatura (aquecimento), os pacientes podem evoluir para hipotermia e suas possíveis conseqüências.(2-8)

A hipotermia tem efeitos deletérios sobre o organismo, como alterações no metabolismo basal, no transporte de oxigênio e gás carbônico, na concentração sérica de hidrogênio, assim como mudanças hidroeletrolíticas e hormonais.(1,2,9-11)

O aparelho respiratório é responsável pelo condicionamento do ar respirado, de vital importância para a respiração e manutenção da homeotermia. Por meio deste condicionamento ocorre 25% da perda calórica do organismo.(1,12)

As reações térmicas da árvore traqueobrônquica são dependentes principalmente da temperatura e da umidade relativa (UR) do ar inspirado. A temperatura do ar é o principal fator na troca de calor do aparelho respiratório, uma vez que a temperatura deste ar pode ser muito variável e a perda ou o ganho de calor pelo organismo estão diretamente relacionados à diferença de temperatura entre o ar inalado e a superfície do aparelho respiratório.(13,14) Outros fatores importantes para estas reações térmicas são a taxa de ventilação por minuto, a temperatura das vias aéreas, as alterações vasomotoras e as alterações na membrana da mucosa.(15-19)

Na inspiração, o ar é aquecido pelo calor da mucosa, que reflete a temperatura do sangue. A troca de calor nas vias aéreas depende da circulação brônquica, mas, além dos bronquíolos terminais, ela passa a depender da circulação pulmonar.(16,20)

Existem duas regiões maiores de condicionamento do ar: as cavidades nasal e oral, que são a principal região, atingindo quase o máximo condicionamento, e a árvore traqueobrônquica, com um papel secundário, sendo que, em direção à periferia do pulmão, as trocas de calor e umidade se tornam menos eficientes.(16-18,21)

Até os brônquios de 7ª ordem, a tarefa de condicionamento do ar já está completa, sendo que este chega aos alvéolos em condições corporais (temperatura de 37 ± 0,6 °C e UR de 100%).(16,21)

O processo de umidificação do ar é tão eficiente que, em pacientes intubados, o ar chega à traquéia com UR de 51% e aos brônquios lobares com UR de 100%.(15,20)

Para o estudo de troca térmica entre o ar e o aparelho respiratório, existem variáveis de importância fundamental, como: pressão do ar dentro do aparelho respiratório, volume de ar que circula no aparelho respiratório por minuto e volume de ar que permanece no sistema respiratório ao final da expiração.(22)

A pressão do ar dentro do aparelho respiratório não é constante e é bastante variável (de 2 a 5 até 20 a 30 cmH2O).(12)

O volume de ar que circula no aparelho respiratório por minuto (fluxo aéreo) é o produto entre o volume corrente (VC) e a freqüência respiratória (FR).(22)

O volume de ar que permanece no sistema respiratório ao final da expiração normal é a capacidade residual funcional (CRF), que é importante por ser maior que o VC e, a cada ciclo respiratório, ser trocado parcialmente, interferindo nas alterações de temperatura e umidade do ar inspirado.

Mediante fórmulas matemáticas é possível estimar os valores normais da capacidade pulmonar total (CPT), capacidade vital (CV), VC e volume residual (VR); mas é importante lembrar que estes valores podem variar de 15 a 20%.(22)

A CV para homens maiores de 15 anos é calculada pela fórmula de Baldwin, Cournand e Richards(22):

A CPT para pessoas entre 15 e 34 anos também é calculada pela fórmula de Baldwin, Cournand e Richards(22):

O VC é de 5 a 10 ml.kg-1.(12)

O volume de reserva expiratória (VRE) e a CRF não podem ser estimados por fórmulas, sendo apenas medidos através de exame complementar.(22)

É fundamental salientar que os cálculos que utilizam a massa corporal devem ser baseados em um índice de massa corporal de 20 a 25.

Existem estudos que determinam a perda de energia térmica e de umidade através das vias aéreas, mas nenhum em procedimentos com intubação orotraqueal.(13,14,16-19)

Este estudo procurou criar um aparelho que pudesse ser regulado para simular o condicionamento do ar respirado nos mesmos valores normais de temperatura, pressão e UR do aparelho respiratório de um ser humano hígido sob ventilação mecânica. Sua finalidade é servir a outros estudos sobre termorregulação e ventilação mecânica sem a necessidade de experimentação inicial em animais.

 

Métodos

Esta pesquisa foi realizada no Laboratório de Termodinâmica do Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas da Pontifícia Universidade Católica do Paraná. Por se tratar de um aparelho mecânico e não utilizar experimentação animal, não necessitou aprovação por comissão de ética.

Na construção do aparelho, foram utilizados materiais plásticos, metais, madeira, vidraçaria, eletro-eletrônicos, fixação e vedação, isolamento térmico e acabamento, sendo que a maioria dos elementos necessitou de modificações.

Os materiais plásticos utilizados foram: placas; canos e conexões de policloreto de vinil (PVC); válvulas unidirecionais de 3 vias; mangueiras; transparências A4; filme de poliestireno; tecido de poliéster; cilindro (6 L); e cânula orotraqueal (8 mm).

Os metais utilizados foram: ferro, latão, bronze, chumbo e cobre; em forma de: parafusos, arruelas, porcas, hastes, registros, conexões, chumbo granulado e telas.

A madeira utilizada foi do tipo pinus e também foi utilizada fórmica.

Os componentes eletro-eletrônicos utilizados foram: fios de cobre; plugs; bocais e lâmpadas; aquecedor para aquário; chaves elétricas; mangueira luminosa; filtro de linha; ventilador; termostatos eletrônicos; microcomputador; software Agilent BenchLink, versão 1.4 (Agilent Technologies, Inc., Palo Alto, CA, USA); termopares 'T'; sistema de aquisição de sinais Agilent 34970A (Agilent Technologies, Inc.); e ventilador mecânico modelo Monterey 3 (K. Takaoka Indústria e Comércio Ltda., São Paulo, SP, Brasil).

A fixação e a vedação foram feitas com: abraçadeiras, colas (silicone, PVC, cianoacrilato, poliuretano), fita adesiva durex e fita isolante.

O isolamento térmico foi feito com papelão e isopor, o acabamento foi feito com folhas de papel contact e utilizaram-se ainda tubos de vidro.

As etapas do trabalho foram divididas em: construção, montagem, regulagem e experimentação.

Construção

As partes do aparelho foram construídas individualmente: válvula de pressão expiratória final positiva, conhecida como Positive end-Expiratory Pressure (PEEP) em inglês; válvula de segurança; cilindro principal; fole; lastros de pressão; umidificador; manômetros; painel de controle; porão; caixa de armazenamento; e distribuidor de ar.

A válvula de PEEP teve por finalidade a simulação da PEEP, mantendo uma pressão expiratória no sistema de 0 a 30 cmH2O. Sua construção utilizou um cano de 450 mm de comprimento e 75 mm de diâmetro. O controle da pressão foi mantido através de uma coluna d'água.

A válvula de segurança teve por finalidade o controle da pressão máxima dentro do sistema (40 cmH2O). Sua construção utilizou um cano de 550 mm de comprimento e 75 mm de diâmetro. O controle da pressão foi mantido através de uma coluna d'água.

O cilindro principal teve como função o controle de volume, UR e temperatura do ar no sistema. Foi construído com um cilindro de 6 L no qual colocou-se: um registro plástico para controle da entrada e saída do ar, uma válvula de segurança, um manômetro, sensores de temperatura e um aquecedor de aquário. Na tampa superior deste fez-se um orifício de 150 mm para adaptação do fole. Este cilindro apresentava uma escala de 700 a 5200 mL para ar e água.

O fole teve por finalidade a simulação do VC e sua construção utilizou um cano de 200 mm de altura e 150 mm de diâmetro, que foi acoplado ao cilindro principal. Este fole apresentava um mecanismo regulador de volume (0 a 2000 mL) e um compartimento para os lastros de pressão.

Os lastros de pressão, feitos de chumbo, foram usados para se obter a pressão desejada no sistema, calculada com base na área da tampa do fole que transmitiria a pressão para o ar no sistema. Calculou-se que uma massa de 158,36755 g aplicada sobre a tampa do fole corresponderia à pressão de 1 cmH2O no sistema. Confeccionaram-se lastros de 1, 2, 5 e 10 cmH2O.

O umidificador foi construído com um cano com 100 mm de altura e de diâmetro (785,37 mL de volume) para elevar a UR do ar a 100%. A umidificação utilizou o princípio de borbulhamento do ar em água. Calculou-se que 1600 orifícios de 0,5 mm de diâmetro umidificariam o ar sem sobrecarga de pressão.

Os manômetros serviram para medir a pressão na caixa de armazenamento e no cilindro principal, apresentando uma escala de -5 a +40 cmH2O.

O painel de controle constituiu-se de uma placa de PVC dividida em 4 setores: temperatura (termostatos); pressão (manômetros); chaves de comando (interruptores); e força elétrica (filtro de linha para proteção do equipamento).

Anexo à base da caixa de armazenamento, construiu-se um sistema de escoamento denominado porão para esvaziar as peças do aparelho.

A caixa de armazenamento serviu como isolamento térmico, construída com uma caixa de papelão de 3 mm de espessura e revestida interiormente por placas de isopor de 30 mm.

O distribuidor de ar foi construído para controlar a entrada e saída do ar no sistema, teve como base uma válvula unidirecional com 3 vias e um limitador para que, quando conectada ao aparelho, a cânula de intubação não progredisse além do anel identificador do balonete.

Montagem

O sistema foi montado dentro da caixa de armazenamento utilizando-se cola de silicone para fixar o cilindro principal, a válvula de PEEP, a válvula de segurança e o umidificador no fundo da caixa. Havia orifícios de escoamento sob as peças. Posteriormente, fixou-se ao assoalho da caixa: um ventilador (homogeneização térmica); uma lâmpada para iluminação; e uma outra lampada para aquecimento.

O distribuidor de ar foi fixado na parede lateral direita da caixa.

Após fixação das peças no interior da caixa, procedeu-se às conexões na seguinte seqüência: distribuidor, umidificador, cilindro principal, válvula de PEEP e novamente distribuidor. Outras conexões foram: cilindro principal à válvula de segurança, respiro da válvula de segurança e manômetros.

A fiação elétrica foi devidamente conectada.

Pela parede lateral esquerda da caixa entraram sensores de temperatura. Estes sensores foram posicionados em pontos estratégicos para a coleta de dados (Tabela 1).

 

 

Finalmente, fixou-se o painel de controle à face anterior da caixa e os orifícios que comunicavam o interior da caixa de armazenamento com o meio externo foram vedados (Figuras 1 e 2).

 

 

 

 

Regulagem

O aparelho e o ventilador mecânico foram regulados com dados específicos para um homem de 25 anos, hígido, de 80 kg e 1,88 m de altura.

O aparelho foi calibrado colocando-se, dentro das peças, uma solução de água destilada e azul de metileno a 0,0005% (propriedades físico-químicas idênticas às da água).(23)

O aparelho foi regulado com: CV de 5000 mL, VC de 800 mL, pressão no início da expiração e final da inspiração de 20 cmH2O, PEEP de 2 cmH2O e temperatura do ar de 37 °C.(13,14,17,18) Ajustou-se a válvula de segurança para 40 cmH2O.(12)

O ventilador mecânico foi regulado com: VC de 800 mL, pressão inspiratória máxima de 20 cmH2O, fluxo inspiratório de 40 L.min-1, PEEP de 2 cmH2O, FR de 17 incursões por minuto, fração inspirada de oxigênio de 0,21 e temperatura do ar igual à do meio externo.(24)

Experimentação

O aparelho foi ativado e mantido em repouso até que houvesse equilíbrio térmico dentro do sistema a 37 °C. Conectou-se a cânula orotraqueal ao aparelho e iniciou-se a ventilação mecânica, que foi mantida até atingir novamente o equilíbrio térmico (Figura 3).

 

 

As temperaturas no sistema foram registradas a cada dois segundos e analisadas.

 

Resultados

No início do experimento, as temperaturas registradas pelos sensores térmicos eram: a = 21,4 °C; b = 21,4 °C; c = 21,7 °C; d = 21,6 °C; e = 21,6 °C; f = 21,8 °C; g = 21,8 °C; e h = 21,2 °C. Nesta fase o sensor I foi desconsiderado. O aparelho foi ativado e mantido em repouso registrando-se as temperaturas a cada dois segundos até o equilíbrio térmico a 37 ± 0,6 °C.

Depois de atingido o equilíbrio em repouso, procedeu-se à ventilação mecânica. Inicialmente, houve uma discreta queda de 0,9 °C nas temperaturas registradas, que foi recuperada rapidamente, atingindo-se novamente o equilíbrio térmico em 370 s e entrando em estabilidade (Tabela 2).

A pressão dentro da caixa de armazenamento manteve-se em 0 cmH2O durante todo o experimento e oscilou entre 2 e 20 cmH2O dentro do cilindro principal.

Após 1788 s de ventilação mecânica, uma vez que desde 370 s o sistema estava em equilíbrio estável (ausência de perda ou ganho de energia térmica), desligou-se o ventilador mecânico e o aparelho; abriu-se a caixa de armazenamento e verificou-se que o nível de líquido que calibrava cada uma das peças não tinha sofrido alteração, exceto o do umidificador, que tinha perdido 129 mL dos seus iniciais 785,37 mL.

 

Discussão

Atualmente não existem estudos que determinem a perda de energia térmica em procedimentos com intubação orotraqueal.(14,16-19)

Cogita-se, ainda sem embasamento científico, a possibilidade de controlar a perda de calor e umidade através das vias aéreas e quem sabe até fornecer, através delas, calor e umidade ao organismo, visando a prevenção e o tratamento da hipotermia.

Este estudo procurou construir um aparelho que pudesse ser regulado, conforme a necessidade de pesquisadores, para simular o condicionamento pulmonar do ar respirado. Sua finalidade é servir para outros estudos que envolvam termorregulação e ventilação mecânica.

Os materiais foram escolhidos segundo a facilidade de aquisição e manuseio, o menor peso e volume possíveis, a resistência, o custo, a capacidade de isolamento térmico, a vedação e fixação e a transparência.

Tratando-se de troca térmica, cada material apresenta um comportamento próprio, relacionado ao seu calor específico e a sua constante de difusão térmica.(23) Visando contornar as complicações que estas características acarretariam, minimizou-se a troca térmica existente pela parede dos materiais utilizando-se um termostato e um aquecedor para o ar do sistema e outro para o ar da caixa de armazenamento, anulando-se o gradiente de temperatura entre os dois sistemas e evitando a troca de energia térmica.

A criação de um aparelho que simulasse um pulmão em termos de inspiração, expiração, pressão, UR, temperatura e volume de gás mostrou-nos que os valores de referência destes dados eram muito amplos e estavam relacionados com altura, peso, idade e sexo e que era imprescindível que este aparelho fosse regulável. Para este trabalho, os dados relevantes eram o sexo e o índice de massa corporal (20 a 25), uma vez que o aparelho poderia ser regulado mecanicamente para quaisquer que fossem os dados de peso e altura. Definiu-se aleatoriamente como padrão de referência um adulto jovem (25 anos) do sexo masculino, hígido, de 80 kg. Uma vez que seu índice de massa corporal deveria ser normal (22,5), calculou-se sua altura em 1,88 m.

A idéia para regulagem de volume foi criar peças com um volume fixo e substituir em parte o seu volume de ar interno por outra matéria que permanecesse aprisionada nesta peça (água).

A regulagem de pressão foi feita baseada em duas válvulas e lastros de chumbo. As válvulas de pressão foram baseadas em sistemas de colunas d'água devido à facilidade e ao menor custo.

Quanto aos lastros, estes serviram para controlar a pressão inspiratória e expiratória.

A temperatura do gás deveria ser mantida a 37 ± 0,6 °C e, para isso, recorreu-se ao uso de termostatos eletrônicos, que permitiam uma variação máxima de temperatura de 0,5 °C.

Neste experimento havia a necessidade de sensores que monitorassem a temperatura rapidamente e com precisão. Optou-se pela utilização de termopares tipo 'T'. Estes termopares são pequenos (1 mm), respondem rapidamente a alterações de temperatura e tem grande sensibilidade.(2)

Devido ao fato de o ar que entraria no sistema não ser saturado e ter uma temperatura menor de 37 °C, este, ao ser aquecido, absorveria água e diminuiria os níveis de calibragem das peças do aparelho.(23) Por isso, criou-se o umidificador que saturaria o ar a 100% quando da sua entrada no sistema. Ao final do experimento é que se comprovou a eficiência do umidificador, quando constatou-se que não houve consumo de água das peças do aparelho. A taxa de evaporação no umidificador foi calculada em 4,32 mL/min, demonstrando que, em se tratando da umidificação do ar, o aparelho apresenta uma autonomia de pouco mais de 3 h. Esta autonomia pode ser aumentada através da substituição deste umidificador por outro de maior volume.

Durante o primeiro teste de vedação, vários pequenos vazamentos de ar e líquido foram identificados e prontamente corrigidos com cola de silicone.

A temperatura e UR da sala de experiência não interferiram no experimento, visto que era um ambiente isolado termicamente.

Na calibragem do aparelho foi utilizada a CV, visto que, apesar de o ideal ser a utilização da CRF, esta não pode ser estimada por fórmulas.

Apesar da CV ser maior que a CRF, isto não interferiu negativamente no experimento, pois a variável de interesse era o VC. Aliás, o uso de um volume maior possibilitou maior diluição, maior tempo de permanência no sistema e maior facilidade no condicionamento do ar.

Os valores de pressão aferidos mostraram que os lastros de pressão e a válvula de PEEP funcionaram perfeitamente.

Avaliando-se as temperaturas registradas, tem-se que o tempo de latência do aparelho foi de 3978 s e que a temperatura de saída do ar do sistema, que era o principal dado, foi de 37,3 °C. Uma vez que o aparelho é isolado termicamente ao ser atingida a temperatura regulada pelos termostatos, o sistema entra em equilíbrio térmico, o que significa que a temperatura do gás se manterá constante por tempo indeterminado, desde que a força elétrica não seja interrompida.

O aparelho desenvolvido neste estudo foi totalmente baseado em princípios mecânicos, sendo que cada uma de suas peças é facilmente regulável em termos de temperatura, volume e pressão para quaisquer que sejam os valores desejados. Apenas a UR é fixa em 100%. Tendo em vista esta particularidade do aparelho, podemos afirmar que este pode simular o condicionamento pulmonar do ar de humanos com diferentes biótipos.

Espera-se que a criação deste aparelho possa servir para outras pesquisas no campo da termodinâmica do aparelho respiratório, podendo, em alguns casos, dispensar a experimentação inicial em seres vivos.

Ao final deste estudo, conseguiu-se desenvolver um aparelho capaz de simular o condicionamento do ar respirado nas mesmas condições de temperatura, pressão e umidade de um aparelho respiratório humano normal sob ventilação mecânica.

 

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Endereço para correspondência:
Nelson Bergonse Neto
Rua Padre Agostinho, 227, apto. 11, Mercês
CEP 80410-020, Curitiba, PR, Brasil
Tel 55 41 3224-3318/55 41 3259-6500
Fax 55 41 3232-0721
E-mail: bergonsent@terra.com.br

Recebido para publicação em 7/3/2006. Aprovado, após revisão, em 1/9/2006.

 

 

* Trabalho realizado na Pontifícia Universidade Católica do Paraná – PUCPR – Curitiba (PR) Brasil.